Los investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad de Aalto Finlandia han construido un dispositivo de "meta-espejo" capaz de reflejar perfectamente las ondas de sonido en cualquier dirección. La demostración de la prueba de principio es análoga a mirar directamente en un espejo y solo ver elpersona a tu lado en lugar de tu propia cara.
La investigación apareció en línea el 15 de febrero en la revista Avances científicos .
"Cuando miras en un espejo de todos los días, la luz sigue la Ley de Reflexión: la luz debe rebotar en el mismo ángulo en el que entró", dijo Junfei Li, un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática enDuke University. Las mismas reglas generalmente se aplican al sonido, pero "queríamos ver si podíamos enviar una onda en una dirección diferente".
Para romper la ley de reflexión con ondas de sonido, los investigadores tuvieron que diseñar un dispositivo que pudiera controlar con precisión la amplitud volumen y la velocidad en toda la onda, lo que es aún más difícil de lo que parece.
"Una forma en que podríamos lograr esto es mediante el lanzamiento mágico de una onda de sonido controlada con precisión que 'golpee' la onda de sonido entrante como bolas en una mesa de billar", dijo Li. "Pero tratar de hacerlo causaría tantos problemas que esno es una idea práctica "
En lugar de recurrir a la magia, Li y sus colegas recurrieron a los metamateriales: materiales artificiales que manipulan ondas como la luz y el sonido a través de su estructura en lugar de su química. Por ejemplo, mientras que el metamaterial particular que diseñaron los investigadores está hecho de plástico, lo importante no son las propiedades del plástico; son las formas de las características del dispositivo las que le permiten dirigir las ondas de sonido en cualquier dirección.
La superficie del metamaterial se parece mucho a una onda en sí, grabada con una serie de canales de varias profundidades. Estas profundidades están diseñadas para controlar con precisión la velocidad a la que la onda de sonido se refleja en varios puntos del meta-espejo. Su onda-como el posicionamiento controla la amplitud de la onda de sonido.
"Debido a que una onda de sonido transporta energía, tienes que darle una patada para redirigirla", dijo Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Pero para hacer esto perfectamente, tienes que redistribuir activamente la energía a lo largola superficie del meta-espejo, que no es factible, o tienes que elegir inteligentemente una forma donde la distribución de energía termine siendo la misma en todas partes ".
Cuando una onda de sonido golpea el meta-espejo, se refleja en sus superficies curvas e interfiere consigo misma. Entre la forma del meta-espejo y la profundidad de sus canales, este patrón de interferencia hace que la onda de sonido se refleje en la dirección deseadasin que ninguna de su energía sea absorbida o dispersada en una dirección no deseada.
En la demostración de la prueba de concepto, el dispositivo metamaterial toma una onda de sonido que viaja directamente hacia él a 3.000 Hertz, un tono muy alto que no es diferente a un "zumbido en los oídos", y lo refleja perfectamente en un ángulo de 70grados
Si bien el dispositivo prototipo está diseñado específicamente para una frecuencia y ángulo de reflexión, los investigadores planean buscar un dispositivo dinámico que pueda cambiar de forma para reflejar diferentes frecuencias en diferentes direcciones. También planean trabajar en dispositivos similares para aplicaciones de acústica subacuática.
También podría crearse un dispositivo similar para controlar las ondas de luz, aunque sus características tendrían que diseñarse a una escala mucho menor, porque las longitudes de onda de la luz son más cortas. Sin embargo, dicho dispositivo no solo podría reflejar la luz en diferentes direcciones, también podría dividir una sola onda en dos direcciones arbitrarias.
"No solo descubrimos una manera de diseñar metasuperficies altamente eficientes, sino que también podemos adaptar el diseño para diferentes funcionalidades", dijo Ana Díaz-Rubio, investigadora postdoctoral en la Universidad de Aalto que dirigió el trabajo sobre la teoría subyacente del proyecto."Estas metasuperficies son una plataforma versátil para el control arbitrario de la reflexión".
Este trabajo fue apoyado por la Academia de Finlandia y por una subvención de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación Naval N00014-13-1-0631.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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